Ein Verbrennungsmotor kann Elektroautos mit Strom versorgen, wenn der Akku leer ist. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart präsentieren Forscher nun einen Motor, der flexibel mit jeder Art von Kraftstoff betrieben werden kann.
Stuttgart - Wer heute in ein Elektroauto einsteigt, ist erstmal enttäuscht. Zu gering erscheint die Reichweite. Bei den blauweißen Elektrokleinstflitzern, die derzeit auf Stuttgarts Straßen unterwegs sind, kommt die Reichweite bei Vollaufladung beispielsweise kaum über 100 Kilometer hinaus. Doch Ingenieure sind findig und schließen die Reichweitenlücke zwischen Verbrennungs- und Elektroaggregaten auf zweierlei Weise: Bei Hybridfahrzeugen ergänzen sie den klassischen Otto- oder Dieselmotor mit einem Elektroantrieb, etwa fürs Anfahren, Stadtfahrten oder kurze Strecken über Land.
Im zweiten Fall spendieren sie dem Elektrofahrzeug einen sogenannten Range-Extender, einen Reichweitenverlängerer. Das ist zwar auch ein Verbrennungsmotor, doch er hat nur eine Aufgabe: Er erzeugt Strom. Geht die Batterie zur Neige, lädt der Range-Extender den Akku auf oder treibt direkt die Elektromotoren an.
Wenig Bauteile, wenig Verschleiß
Ein neues Antriebskonzept für einen Range-Extender haben die Forscher des Instituts für Fahrzeugkonzepte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart-Vaihingen vorgestellt. Der Motor hat den etwas sperrigen Namen Freikolbenlineargenerator, gilt aber in der Fahrzeugszene als so spektakulär, dass immerhin 60 Fachleute die offizielle Inbetriebnahme des ersten Demonstrators verfolgten. Anfangs hielten Fachleute das Antriebskonzept nicht für machbar. Dennoch haben sich viele Forschergruppen in den vergangenen Jahrzehnten daran abgearbeitet. „Wir haben das nun nach acht Jahren Entwicklungsarbeit geschafft“, sagt der Institutsleiter Horst Friedrich.
Im Freikolbenlineargenerator bewegt sich ein Kolben frei zwischen zwei Gasräumen. In einem Gasraum zündet der Motor das Kraftstoff-Luft-Gemisch und wirft den Kolben gegen den zweiten, nur mit Luft gefüllten Raum. Die Luft wird komprimiert und drückt den Kolben zurück, der dann im nächsten Takt seinerseits das Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert bis zur nächsten Zündung. Auf dem Kolben sind Permanentmagnete angebracht, die durch eine feste Spulenwicklung im Gehäuse laufen. Das erzeugt den Strom.
Für den Projektleiter Frank Rinderknecht hat der Motor gleich mehrere Vorteile. Zum einem kommt das Gerät mit nur wenigen Bauteilen aus. Verluste durch Reibung und Verschleiß können so gemindert werden. Die Linearbewegung des Kolbens muss nicht über die Kurbelwelle in eine Drehbewegung übersetzt werden. Dass der Kolben ohne Fixierung über Pleuelstange und Kurbelwelle frei schwingt, war die größte Herausforderung des Projekts. Denn diese Freiheit gibt den Forschern großen Spielraum bei den anderen Motorparametern: Verdichtung und Hubraum. Für die Verdichtung bedeutet dies zum Beispiel, dass die Verbrennung variabel auf verschiedene Kraftstoffsorten eingestellt werden kann. Der Motor läuft mit Benzin, Erdgas, Ethanol und Wasserstoff.
Für ein Elektroauto ist der Motor noch zu laut
„Wir haben zunächst gezeigt, dass das Konzept aufgeht“, sagt Rinderknecht. Derzeit wummert der Demonstrator im Testlabor des DLR noch mit den Geräuschen eines Presslufthammers vor sich hin. Bis zu einem ersten Prototypen für ein Elektroauto würden noch drei bis vier Jahre vergehen. Der müsste dann auch deutlich leiser sein. „Im Elektroauto möchten die Fahrer keine lauten Motorengeräusche.“
Als Range-Extender könne der neue Antrieb die Reichweite auf viele Hundert Kilometer vergrößern. In Einheiten von der Größe eines Aktenkoffers und einer Leistung von 20 bis 35 Kilowatt könnten Hersteller im Fahrzeugboden modular ein bis vier Aggregate zusammenschalten. Am meisten Freude bereitet den Ingenieuren indes die Flexibilität beim Kraftstoff. In den USA werden Erdgasantriebe wegen der billigen Schiefergasproduktion interessanter, und in Deutschland träumen Ingenieure noch immer von einer Wasserstoffinfrastruktur. In beiden Fällen könnte der Freikolbenlinearmotor seinen Einsatz finden.
Von einem ersten Demonstrator bis in die Serienfertigung, ist es noch ein weiter Weg, sagt Michael Bargende von der Universität Stuttgart. Bargende hat schon viele Ideen kommen und gehen sehen.